ANSYS Simulation: Abschaltbarer Haltemagnet für Weltraumanwendungen

6. CADFEM Austria Users’ Meeting
EURO PLAZA Conference Center
Wien, 7. April 2011

Abschaltbarer Haltemagnet für
Weltraumanwendungen

C. Laa, T. Nitschko, L. Supper, G. Traxler,
RUAG Space GmbH, Austria

J.M. Lautier, ESA-ESTEC

Inhalt
Technische Anforderungen
Aktuator Konzept
Analyse – Statisch, Dynamisch, Thermisch
Technische Eigenschaften
Teile des Aktuators
Test Aufbau
Test Sequenz
Messungen am offenen Aktuator
Aktivierung mit und ohne Vorspannung
Vorgangsweise zum Schließen
Test Ergebnisse
Anwendungsmöglichkeiten
Zusammenfassung

2 | RUAG Space GmbH 21.03.2013

Technische Anforderungen
ITAR frei
Wiederverschließbar (>100 Zyklen)
Wenig Shock beim Öffnen: <100g (SRS, Q=10, d=10 cm)
Masse: <400g
Kein Energieverbrauch im geschlossenen Zustand
Haltekraft: >1500 N
Toleranz: ±2 deg (cone)
Temperaturbereich (im Betrieb): -80 bis +120 °C
Elektrisch redundant
Betriebsspannung: 26 Volt DC ±10%
Steuerimpuls: 10 bis 250 ms (Anforderung für Steuerelektrik)
Maximaler Strom ohne Aktivierung: 1.0 A (5 min)
Steifigkeit (erste Eigenfrequenz): >140 Hz
Vibration: 90g (quasi-statisch); 30.7g (rms, Rauschen)
Lebensdauer : 10 Jahre


Aktuator Konzept

Eisen beweglicher Teil außen

Permanentmagnet (SmCo)

Eisen beweglicher Teil innen (Abschirmung)

Eisenring oberhalb der Spulen

Obere Spule

Untere Spule

Eisen fester Teil


Analyse - Statisches
Magnetfeld


Magnetfeld
Magnetisches Streufeld

mit Reduktion ohne Reduktion
durch Abschirmung


Magnetfeld

• ein Teil relativ zum anderen verschoben
• zentrierende Kraft mit etwa 10 % der Haltekraft


Analyse - Dynamisches
Magnetfeld

t = 24 ms t = 66 ms
t = 125 ms


Analyse - Drahttemperatur

T = 25°C T = 120 °C
160
150

140

I = 7.5 A
120 I = 5.0 A I = 7.5 A

Temperature in °C
I = 3.0 A 140 I = 7.0 A
Temperature in °C

I = 2.0 A I = 6.0 A
100
I = 1.0 A I = 5.0 A

80

130
60

40

20 120
0 10 20 30 40 50 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Time in sec Time in sec

Maximal möglicher Dauerstrom ohne Beschädigung I = 1.0A

Temperatur für I = 7.5A bis zu 200ms unter 125°C

Keine Messungen des Spulenfeldes für I > 1.0 A möglich


Technische Eigenschaften
Gewicht der aktiven Elemente: 375 g
Gewicht mit Testaufbau: 1.3 kg
Abmessungen:
Aktive Elemente:
Durchmesser: 60 mm
Höhe: 27 mm (11mm+16mm)
Testaufbau:
Durchmesser: 104 mm
Höhe: 150 mm (geschlossen)
Charakteristik:
Haltekraft 1500 N nominell
Betribsspannung 26 V ± 10%
Aktivierungszeit ≤ 200 ms
Temperaturbereich (im Betrieb): -80°C / +120°C


Teile des
Aktuators
Permanentmagnet
Eisen beweglicher Teil außen

Eisenring oberhalb der Spulen Eisen beweglicher Teil innen
(Abschirmung)

Obere und untere Eisen fester Teil
Spule

Einzelteile des beweglichen Teils fester Teil mit Spulen


Test Aufbau

• Ein Test Aufbau für alle erforderlichen Tests

• Federn um den beweglichen Teil im geöffneten Zustand zu halten

Geschlossener Zustand Geöffneter Zustand


Test Sequenz
mit Indikation
von
Visual Inspection
und
Performance Test


Datum: 26 January 2010 Strukturdatei Ronde_2-Ringspalt_03

Ronde SN02 Ringspalt
1,2
Tesla

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0
-2 -1 0 1 2 3 4 mm 5
Magn.
f(Y)

Feldstärke im Spalt des beweglichen Teils → 1.0 Tesla
Kan 6
Datum: 27 January 2010 Strukturdatei Spule_2-Ringspalt_03 23,9°C

Spule SN02 Ringspalt eintauchen
0,20
Tesla

0,15

0,10

0,05

0,00
0 2 4 6 8 mm 10
Magn.
f(Y)
Spule unten 1A

Feldstärke im Spalt des festen Teils für I=1.0A → 0.15 Tesla
⇒ Strom zum Öffnen ~ 7 A


Datum: 28 January 2010 Strukturdatei Spule 0ben_7,5A

Puls Spule oben
1,0 10
Tesla V, A
0,939

0,8 8
7,52

0,6 6

0,4 4

0,2 2

0,173
0,0 0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5
Puls Strom Magn.
Tabor 8021 = 200ms

Feldstärke im Spalt des festen Teils für I=7.5A / 200ms → 0.94 Tesla


Aktivierung mit 300 N Vorspannung
Datum: 28 January 2010 Strukturdatei El-Release-oben_1

Puls Spule oben
400 10
N V, A

8
7,59
300

6

200

4

100
2

0,173
0 0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5
Puls Strom Filter-F
Burster
Tabor 8021 = 200ms

URNS öffnet nach ~ 20 ms @ ~ 6.3 A


Aktivierung ohne Vorspannung
Datum: 28 January 2010 Strukturdatei El-Release-unten_2

Puls Spule unten
400 10
N V, A

8
300 7,42

6

200

4

100
2

0,173
0 0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 s 0,5
Puls Strom Filter-F
Burster
Tabor 8021 = 200ms

URNS öffnet nach ~ 30 ms @ ~ 6.8 A


Vorgangsweise zum Schließen
Mit Einstellung der Vorspannung:

sicher stellen, daß Spannschraube ganz oben ist
(Mutter ganz unten ohne ganz fest zu sein)

Platzierung des Gehäuses auf der Grundplatte
(wenn es noch nicht der Fall ist)

bewegliche Kappe mit Kraftsensor herunterdrücken

beweglichen Teil durch lösen der Mutter absenken
(Schraube mit Imbusschlüssel festhalten)

gewünschte Vorspannung einstellen

Mit bereits richtig eingestellter Vorspannung:

Platzierung des Gehäuses auf der Grundplatte
(wenn es noch nicht der Fall ist)

bewegliche Kappe mit Kraftsensor herunterdrücken


Test Ergebnisse
Test Ergebnisse für Kraft über Weg Messung
1800

1600

1400
Calculation
1200 Measurement SN02
Force in N

1000

800

600

400

200

0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50
Air-gap in mm
Gute Übereinstimmung von Analyse und Messung


Test Ergebnisse
Test Ergebnisse für Messung des generierten Schock

SRS unter Limit von 100g in vertikaler Richtung


Test Ergebnisse
Test Ergebnisse für Vibrations Test

keine Resonanz unter 1000 Hz


Test Ergebnisse
Test Ergebnis für Thermal Vakuum Zyklieren

Thermal Zyklen mit hoher Vorspannung von 1500 N (-10%)


Test Ergebnisse

Aktivierung im Vakuum bei +120°C


Test Ergebnisse

Aktivierung im Vakuum bei -80°C (ohne Kraftsensor)


Test Ergebnisse
Test Ergebnis für Lebensdauertest

keine Degradierung nach > 100 Aktivierungszyklen


Test Ergebnisse
Test Ergebnis für Messung der abstoßenden Kraft

Gute Übereinstimmung von Analyse und Messung


Verschiedene Möglichkeiten

Einstellung des
Winkels
beweglicher Teil

Konus für laterale
Kräfte
fester Teil

Einbauvariante mit Luftspalt im geöffneten Zustand


Verschiedene Möglichkeiten

Vorspannungsmessung

Einstellung des Winkels
beweglicher Teil

Konus für laterale Kräfte
fester Teil

Einbauvariante ohne Luftspalt im geschlossenen Zustand


Zusammenfassung
Berechnung der Kräfte durch ANSYS sehr genau für Haltekraft und für
abstoßende Kraft bei Aktivierung
Berechnung des Aktivierungsstroms durch ANSYS sehr genau
Für die Messung der abstoßenden Kraft mußte das Öffnen während der
Aktivierung verhindert werden
Verlust der Zentrierung ohne zusätzliche Maßnahmen möglich
Wenn die Zentrierung um mehr als ca. 0.5 mm falsch ist kann das zu
Fehlverhalten bei nachfolgenden Aktivierungen führen
Zentrierung muß durch Einbau sichergestellt werden


Zusammenfassung
Entwicklung war erfolgreich
Einsatz bei Weltraummissionen ist möglich
Entwicklung hat Vorteile bestätigt:
Nahezu kein Schock durch Aktivierung
Schnelle Ansprechzeit
Kompaktes und robustes Design
Gutes Verhältnis von Haltekraft zu Gewicht
(bei relativ niedriger Haltekraft)
Unbegrenzte Aktivierungszyklen
Nachteile
Steuerelektronik für Aktivierung notwendig
Begrenzte Haltekraft gemäß
Haltekraft ≈ Fläche ≈ (Durchmesser)² ≈ Gewicht)²/³


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